碳还原氧化铜实验最佳方案探究
摘要：碳还原氧化铜的实验效果与碳和氧化铜的质量比、混合的程度及加热的温度等许多因素有关。本文从该实验对反应物的不同质量比、不同种类的碳、不同纯度的氧化铜等实验条件进行实验探究, 通过对产物铜珠的颜色和颗粒大小的观察, 得出碳还原氧化铜的最佳课堂演示实验方案。
碳还原氧化铜是初中化学教材[1]为说明单质碳的重要化学性质——还原性而设计的一个演示实验。
这是初中化学中第一次接触的最经典的高温固相反应实验，其成功的实验表象依次是（1）澄清石灰水变浑浊；（2）反应物出现红热；（3）冷却后看到红色光亮的铜珠。教师需要引导学生对实验结果所观察与分析得出该化学反应的方程式，并从反应物和生成物得失氧的情况讲解氧化还原反应的概念。很多化学教师在做这个实验时很难把握成功的关键，大多数只能看到澄清石灰水变浑浊和黑色粉末变成砖红色粉末（cu2o）的现象，难以看见大颗粒的红色、光亮的金属–铜珠生产，这就影响了课堂的直观教学，教师失去了从实验事实启迪思维的依据。为解决这一问题，本课题对此反应机理和主要影响因素进行了反复的实验研究，结果表明：本实验除温度影响外，湿度、反应物质量比及混合程度也是影响本实验成败的主要因素，并在实验中找到了操作较为方便的实验方法。
1.对碳还原氧化铜原理及影响因素的研究
1.1反应是放热还是吸热。热力学理论认为一个化学反应的焓为负值就是放热反应，为正值则是吸热反应，查得数据如下：
cuoh＝-107.3 kj/mol co2 h＝-185.2 kj/mol
计算得c＋2cuo＝2cu＋co2 ↑ h＝-77.9kj/mol
计算结果小于零，可见碳还原氧化铜是放热反应。
1.2难得到铜珠的原因分析。碳还原氧化铜实验中的有关固体物质熔点是：铜为1083℃，cu2o为1235℃，cuo为1326℃，碳粉则为3500℃以上。由此可见,反应体系中的固体物质熔点都非常高。固体之间的接触面小，而且固体分子间扩散力很弱，因此，碳粉和氧化铜粉末只有在直接接触的表面上才进行反应，反应面是有限的。虽然是放热反应，但在这样的条件下，很难产生使还原出来的铜熔化成大铜块的温度，而且，固体间的反应很难完全，产物也不单纯是铜，所以，能够在实验中得到小铜珠或小铜块已经是很成功了。
1.3碳粉与氧化铜的质量比探究。按反应方程式计算，碳和氧化铜的质量比是1：13.3。通过这次的探究，按照该理论比进行实验，不能得到好的效果，碳粉在混合物中的比例应比理论值适当过量，其原因有：（1）碳粉中可能含有较多的杂质[5]，比如碳粉含杂质10%，则比例应为1︰11.93，若含杂质20%，则比例为1︰10.60。
（2）在加热的过程中，少量的碳粉与试管中的空气发生反应，反应放出的热量起到引燃的作用。（3）研磨时，如果氧化铜过量，则容易结成块状，混合不均匀；如果碳粉过量，则成粉末状，混合均匀
1.4碳粉种类的选择。实验室常用的还原性碳粉有木炭和活性炭（粉末），经过研究和文献资料表明，二者中活性炭（粉末）的还原效果要好一些。究其原因，活性炭（粉末）的表面积大，而碳还原氧化铜是一个典型的固相之间的反应，接触面积越大，反应越容易发生，因此活性炭（粉末）的效果较好。
1.5影响实验成败的关键因素。碳还原氧化铜是固体物质之间的反应，前面已经介绍，在反应体系中的各种固体，都是高熔点物质，虽然是放热反应，但由于反应的活化能很高，要想让其反应，需要较高的温度（热能）引发，因此，设法提高反应体系的温度是实验成败的第一个关键点，提高温度还有利于还原出来的铜熔化合成铜珠或铜块。固体物质反应是在直接接触的表面进行的，接触面越大，反应越剧烈，也只有充分接触，才能保证反应完全，增大反应物接触面是实验成败的第二个关键点。根据理论和实验实际，选择适当的反应物质量比是实验成败的第三个关键点，只有根据实验条件选取适当数量、适当比例的反应物质，才能保证反应充分完全。因此，所有的具体操作都应围绕上面三个关键点进行。
2.工作任务
根据本实验的教学功能,要求在课堂上短时间内利用酒精灯加热碳粉和氧化铜的混合物,能得到如下的现象：(1)澄清石灰水变浑浊； (2)反应有着红热现象； (3)有光亮的块状铜生成。所以实验任务安排如下：（1）分别用不同比例（m碳：m氧化铜分别为1：13 1：12 1：11 1：10 1：9 1：8 1：7 1：6 1:5）的木炭和
活性炭与氧化铜反应，对比所得铜珠的颜色和颗粒的大小得出用哪种质量比效果更好；（2）测出每一种比例从加热到开始反应的时间；
（3）检验气体产物co2
3.实验部分
3.1仪器与试剂。铁架台，小试管，集气瓶，蒸发皿，坩锅钳，大、小橡皮塞，铁圈，试管夹，烧杯，带导管的橡皮塞等。木炭，活性炭，氧化铜粉末（分析纯）
3.2实验过程。实验前将还原性碳（木炭、活性炭）、氧化铜粉末在坩埚中烘烤20-30分钟，冷却后按比例称量，混合，用酒精灯加热，同时用秒表记录反应时间。
3.3实验结论。通过上述实验现象的对比，可以看出：无论是木炭还是活性炭，混合物比例在1:8时反应能够快速的进行；通过对比木炭和活性炭还原出来的铜粒的大小，发现活性炭的还原效果更好。其它比例的实验得到的实验现象不是非常理想，会出现砖红色粉末，这主要是反应会生成氧化亚铜。
4.实验结果分析
通过本课题的研究，找出了碳还原氧化铜的最佳实验演示条件，改变了传统用酒精喷灯加热的方法，依据探究出来的实验条件，能够在短时间内将实验做成功，在节约材料试剂的同时，实验现象非常明显（①澄清石灰水变浑浊；②反应有着火似的“红热”现象；③有小铜块生成），方便中学教师在课堂上做演示实验。
参考文献
[1] 胡美玲，义务教育课程标准实验教科书《化学》
[2] 钱亚兵,鲍正荣.碳还原氧化铜实验研究[j].
[3] 郝金声，周进康.酒精灯火焰温度的测量[j]
碳还原氧化铜实验最佳方案探究
摘要：碳还原氧化铜的实验效果与碳和氧化铜的质量比、混合的程度及加热的温度等许多因素有关。本文从该实验对反应物的不同质量比、不同种类的碳、不同纯度的氧化铜等实验条件进行实验探究, 通过对产物铜珠的颜色和颗粒大小的观察, 得出碳还原氧化铜的最佳课堂演示实验方案。
碳还原氧化铜是初中化学教材[1]为说明单质碳的重要化学性质——还原性而设计的一个演示实验。
这是初中化学中第一次接触的最经典的高温固相反应实验，其成功的实验表象依次是（1）澄清石灰水变浑浊；（2）反应物出现红热；（3）冷却后看到红色光亮的铜珠。教师需要引导学生对实验结果所观察与分析得出该化学反应的方程式，并从反应物和生成物得失氧的情况讲解氧化还原反应的概念。很多化学教师在做这个实验时很难把握成功的关键，大多数只能看到澄清石灰水变浑浊和黑色粉末变成砖红色粉末（cu2o）的现象，难以看见大颗粒的红色、光亮的金属–铜珠生产，这就影响了课堂的直观教学，教师失去了从实验事实启迪思维的依据。为解决这一问题，本课题对此反应机理和主要影响因素进行了反复的实验研究，结果表明：本实验除温度影响外，湿度、反应物质量比及混合程度也是影响本实验成败的主要因素，并在实验中找到了操作较为方便的实验方法。
1.对碳还原氧化铜原理及影响因素的研究
1.1反应是放热还是吸热。热力学理论认为一个化学反应的焓为负值就是放热反应，为正值则是吸热反应，查得数据如下：
cuoh＝-107.3 kj/mol co2 h＝-185.2 kj/mol
计算得c＋2cuo＝2cu＋co2 ↑ h＝-77.9kj/mol
计算结果小于零，可见碳还原氧化铜是放热反应。
1.2难得到铜珠的原因分析。碳还原氧化铜实验中的有关固体物质熔点是：铜为1083℃，cu2o为1235℃，cuo为1326℃，碳粉则为3500℃以上。由此可见,反应体系中的固体物质熔点都非常高。固体之间的接触面小，而且固体分子间扩散力很弱，因此，碳粉和氧化铜粉末只有在直接接触的表面上才进行反应，反应面是有限的。虽然是放热反应，但在这样的条件下，很难产生使还原出来的铜熔化成大铜块的温度，而且，固体间的反应很难完全，产物也不单纯是铜，所以，能够在实验中得到小铜珠或小铜块已经是很成功了。
1.3碳粉与氧化铜的质量比探究。按反应方程式计算，碳和氧化铜的质量比是1：13.3。通过这次的探究，按照该理论比进行实验，不能得到好的效果，碳粉在混合物中的比例应比理论值适当过量，其原因有：（1）碳粉中可能含有较多的杂质[5]，比如碳粉含杂质10%，则比例应为1︰11.93，若含杂质20%，则比例为1︰10.60。
（2）在加热的过程中，少量的碳粉与试管中的空气发生反应，反应放出的热量起到引燃的作用。（3）研磨时，如果氧化铜过量，则容易结成块状，混合不均匀；如果碳粉过量，则成粉末状，混合均匀
1.4碳粉种类的选择。实验室常用的还原性碳粉有木炭和活性炭（粉末），经过研究和文献资料表明，二者中活性炭（粉末）的还原效果要好一些。究其原因，活性炭（粉末）的表面积大，而碳还原氧化铜是一个典型的固相之间的反应，接触面积越大，反应越容易发生，因此活性炭（粉末）的效果较好。
1.5影响实验成败的关键因素。碳还原氧化铜是固体物质之间的反应，前面已经介绍，在反应体系中的各种固体，都是高熔点物质，虽然是放热反应，但由于反应的活化能很高，要想让其反应，需要较高的温度（热能）引发，因此，设法提高反应体系的温度是实验成败的第一个关键点，提高温度还有利于还原出来的铜熔化合成铜珠或铜块。固体物质反应是在直接接触的表面进行的，接触面越大，反应越剧烈，也只有充分接触，才能保证反应完全，增大反应物接触面是实验成败的第二个关键点。根据理论和实验实际，选择适当的反应物质量比是实验成败的第三个关键点，只有根据实验条件选取适当数量、适当比例的反应物质，才能保证反应充分完全。因此，所有的具体操作都应围绕上面三个关键点进行。
2.工作任务
根据本实验的教学功能,要求在课堂上短时间内利用酒精灯加热碳粉和氧化铜的混合物,能得到如下的现象：(1)澄清石灰水变浑浊； (2)反应有着红热现象； (3)有光亮的块状铜生成。所以实验任务安排如下：（1）分别用不同比例（m碳：m氧化铜分别为1：13 1：12 1：11 1：10 1：9 1：8 1：7 1：6 1:5）的木炭和
活性炭与氧化铜反应，对比所得铜珠的颜色和颗粒的大小得出用哪种质量比效果更好；（2）测出每一种比例从加热到开始反应的时间；
（3）检验气体产物co2
3.实验部分
3.1仪器与试剂。铁架台，小试管，集气瓶，蒸发皿，坩锅钳，大、小橡皮塞，铁圈，试管夹，烧杯，带导管的橡皮塞等。木炭，活性炭，氧化铜粉末（分析纯）
3.2实验过程。实验前将还原性碳（木炭、活性炭）、氧化铜粉末在坩埚中烘烤20-30分钟，冷却后按比例称量，混合，用酒精灯加热，同时用秒表记录反应时间。
3.3实验结论。通过上述实验现象的对比，可以看出：无论是木炭还是活性炭，混合物比例在1:8时反应能够快速的进行；通过对比木炭和活性炭还原出来的铜粒的大小，发现活性炭的还原效果更好。其它比例的实验得到的实验现象不是非常理想，会出现砖红色粉末，这主要是反应会生成氧化亚铜。
4.实验结果分析
通过本课题的研究，找出了碳还原氧化铜的最佳实验演示条件，改变了传统用酒精喷灯加热的方法，依据探究出来的实验条件，能够在短时间内将实验做成功，在节约材料试剂的同时，实验现象非常明显（①澄清石灰水变浑浊；②反应有着火似的“红热”现象；③有小铜块生成），方便中学教师在课堂上做演示实验。
参考文献
[1] 胡美玲，义务教育课程标准实验教科书《化学》
[2] 钱亚兵,鲍正荣.碳还原氧化铜实验研究[j].
[3] 郝金声，周进康.酒精灯火焰温度的测量[j]